霍尔元件的结构及工作原理

1、第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理 霍尔效应霍尔效应:半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，导导电薄膜越薄，灵敏度就越高电薄膜越薄，灵敏度就越高。 影响霍尔电动势的因数影响霍尔电动势的因数 n流入激励电流端（流入激励电流端（a、b）的电流）的电流Iab越大，电子越大，电子和空穴积累得就越多，霍尔电动势也就越高。和空穴积累得就越多，霍尔电动势也就越高。n作用在薄片上的

2、磁感应强度作用在薄片上的磁感应强度B越强，电子受到的越强，电子受到的洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高。n薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素对霍尔电动势也有很大的影响。设半导体薄片的对霍尔电动势也有很大的影响。设半导体薄片的厚度为厚度为，霍尔元件中的电子浓度为，霍尔元件中的电子浓度为n，电子的电，电子的电荷量为荷量为e，则霍尔电动势，则霍尔电动势EH可用下式表示：可用下式表示：HIBEne霍尔电动势与灵敏度霍尔电动势与灵敏度 式中的式中的n、e、在薄片的尺寸、材料确定在薄片的尺寸、材料确定后均为常数，可令后均为常数

3、，可令KH=1/(ne)，则上式可简，则上式可简化为：化为： EH=KH IB式中：式中： KH霍尔元件的灵敏度。霍尔元件的灵敏度。由于金属材料中的电子浓度由于金属材料中的电子浓度n很大，所以很大，所以灵敏度灵敏度KH非常小。而非常小。而半导体材料中的电子半导体材料中的电子浓度较小，所以灵敏度比较高浓度较小，所以灵敏度比较高。霍尔元件的工作原理分析霍尔元件的工作原理分析 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势直于电流和磁场的方向上将

4、产生电动势EH，这种，这种现象称为现象称为霍尔效应霍尔效应。 磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IBa ab bc cd d霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，作用，向内侧（向内侧（d 侧）偏移，在半导体薄片侧）偏移，在半导体薄片c、d方方向的端面之间建立起霍尔电势

5、。向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab bd da ab bc c磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是与其不垂直于霍尔元件，而是与其法线成法线成某一角度某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应有效磁感应强度强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即B Bcoscos ，这时的霍尔电动势为，这时的霍尔电动势为 E EH H= =K KH HIBIBcoscos 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的

6、霍尔电动势演示演示结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正比。成正比。当当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。 如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率的交变电势的交变电势。a aa ac cd db b霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯负的多少高斯至正的多少高斯至正的多少高斯？（？（1T104Gs）线性区线性区mVmV调零后的调零后的B B/

7、/T T霍尔元件的主要外特性参数（续）霍尔元件的主要外特性参数（续） 最大最大激励电流激励电流IM : : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的流增大，霍尔元件的功耗增大功耗增大，元件的温度升元件的温度升高高，从而，从而引起霍尔电势的温漂增大引起霍尔电势的温漂增大，因此每种，因此每种型号的元件均规定了相应的型号的元件均规定了相应的最大激励电流最大激励电流，它，它的数值从几毫安至十几毫安。的数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个以下哪一个激励电流的数值较为妥当激励电流的数值较为妥当？8 8A A 0.8mA0.8mA 8mA8mA 80mA 80mA 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路 在在a a、b b、c c、d d四个端点之间四个端点之间, ,等效于一个四臂电桥等效于一个四臂电桥霍尔元件的不等位电动势及调零霍尔元件的不等位电动势及调零 在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔输在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电动势出端之间的开路电压称为不等位电动势E0，它是由于，它是由于4个电极的几何尺寸不对称引起的。个电极的几何尺